Produzir uma biocélula tão eficaz quanto uma célula a combustível de platina:esse é o feito que os pesquisadores do Laboratoire de Bioénergétique et Ingénierie des Protéines (CNRS / Aix-Marseille Université) alcançaram, em colaboração com o Centre de Recherche Paul Pascal (CNRS / Université de Bordeaux) e o Institut Universitaire des Systèmes Thermiques Industriels (CNRS / Aix-Marseille Université). Três anos depois de fazer seu primeiro protótipo de biocélula, os pesquisadores acabam de atingir um novo marco e aumentam seu desempenho e estabilidade. Esta biocélula poderia, a longo prazo, oferecem uma alternativa às células de combustível que requerem metais raros e caros, como a platina. Seu trabalho foi publicado em Energia e Ciência Ambiental em 17 de agosto, 2017

Uma célula de combustível converte energia química em energia elétrica por meio da combustão de hidrogênio. Embora seja considerada uma tecnologia limpa - porque não emite gases de efeito estufa - as células de combustível usam catalisadores de metais raros caros, como platina, para oxidar o hidrogênio e reduzir o oxigênio. Nos últimos anos, a identificação de biocatalisadores, enzimas com propriedades notáveis, revitalizou a pesquisa nesta área:seu oxigênio, e especialmente hidrogênio, a atividade de transformação é comparável à da platina. A atividade da hidrogenase foi, até recentemente, inibido pelo oxigênio e, portanto, incompatível com o uso em células.

Por muitos anos, pesquisadores do Laboratoire de Bioénergétique et Ingénierie des Protéines (CNRS / Aix-Marseille Université) têm desenvolvido uma nova geração de biocélulas. Eles substituíram o catalisador químico (platina) por enzimas bacterianas:no ânodo, hidrogenase (chave para converter hidrogênio em muitos microrganismos), e no cátodo, bilirrubina oxidase. Eles agora identificaram uma hidrogenase que é ativa na presença de oxigênio e resistente a alguns inibidores da platina, como o monóxido de carbono. Em colaboração com o Centre de Recherche Paul Pascal (CNRS / Université de Bordeaux), eles também exploraram a biodiversidade para identificar enzimas estáveis ​​ao calor que podem suportar temperaturas entre 25 ° C e 80 ° C.

Para transferir esses bioprocessos do laboratório para o desenvolvimento industrial, dois grandes obstáculos tiveram que ser superados. Em 2014, seu primeiro protótipo foi limitado pela baixa potência gerada e pela falta de estabilidade da enzima. Então, eles precisavam de uma mudança de escala, ainda assim, precisava reter a atividade das enzimas e protegê-las de quaisquer inibidores. Um terceiro grande problema era como reduzir custos, então, entre outras coisas, eles tiveram que minimizar a quantidade de enzima usada. Todas essas questões exigiam um estudo fundamental e multidisciplinar para iluminar os fatores que limitam a bioeletrocatálise.

Ao incorporar progressivamente as duas enzimas estáveis ​​ao calor em uma arquitetura à base de carbono, os pesquisadores resolveram esses três problemas. Um feltro de carbono com porosidade adequadamente adaptada é a estrutura hospedeira para as enzimas, e também serve como proteção contra espécies químicas geradas quando o oxigênio é reduzido, que alteram a atividade enzimática. Assim, a célula pode funcionar sem perda de desempenho por vários dias.

Usando essa arquitetura controlada e as propriedades intrínsecas das enzimas, os pesquisadores conseguiram pela primeira vez quantificar a proporção de enzimas que participam efetivamente da corrente, demonstrando que as correntes fornecidas pelo biocatalisador são muito semelhantes aos resultados desejados para a platina. Eles também desenvolveram um modelo numérico para determinar a geometria ideal da célula. Portanto, essas biocélulas parecem ser uma alternativa às células a combustível clássicas:a biomassa pode ser usada para fornecer o combustível (hidrogênio) e o catalisador (as enzimas), que são por natureza, renovável.